Multiplexed single cell transcriptomics optimizes mesodermal patterning and hemogenic endothelial output from murine embryonic stem cells
Deze studie maakt gebruik van sci-Plex single-cell transcriptomica om de generatie van hemogene endotheelcellen uit murine embryonale stamcellen te optimaliseren door te onthullen hoe de dosis en de temporele integratie van Activine- en BMP4-signaalpaden de mesodermale patronering en celbeslissingen sturen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In elk ontwikkelend embryo vindt een stille, precieze conversatie plaats tussen cellen, waarbij wordt beslist welke cel spier zal worden, welke bot zal worden en welke het bloed zal worden dat het leven in stand houdt. Dit gesprek wordt gevoerd via chemische signalen, moleculen die fungeren als instructies, die een cel vertellen waar hij heen moet gaan en wat hij moet worden. In de zeer vroege stadia van het leven moeten een specifieke groep cellen, bekend als stamcellen, transformeren in een type weefsel genaamd mesoderm, wat uiteindelijk de basis vormt voor het hart en het bloedsysteem. Wetenschappers weten al lang dat de concentratie van deze chemische signalen ertoe doet; te veel van één signaal kan een cel richting een hartcel duwen, terwijl een andere hoeveelheid het naar bloed kan duwen. Het begrijpen van hoe deze signalen precies mengen en veranderen in de loop van de tijd om de specifieke bloedmakende cellen te creëren die nodig zijn voor een gezonde volwassene, is echter een grote uitdaging geweest. Het creëren van deze bloedcellen in een laboratoriumschaaltje is moeilijk gebleken omdat het proces zo complex is, en onderzoekers worstelden met het repliceren van de exacte omstandigheden die in een levend embryo worden aangetroffen.
Een team van onderzoekers van het Fred Hutch Cancer Center en de University of Washington heeft een belangrijke stap voorwaarts gezet door een krachtig nieuw instrument te gebruiken om dit proces in realtime te observeren. Ze werkten met embryonale muisstamcellen, die in staat zijn om in elk celtype in het lichaam te veranderen. In plaats van één chemische conditie per keer te testen, gebruikten ze een methode genaamd sci-Plex, waarmee ze duizenden cellen tegelijkertijd kunnen blootstellen aan vele verschillende combinaties van twee belangrijke chemische signalen. Deze signalen staan bekend als Activine en BMP4. Door een breed scala aan sterktes van deze twee signalen toe te passen op de stamcellen, konden de onderzoekers observeren hoe de cellen reageerden op elke mogelijke mix, waarbij ze de veranderingen op het niveau van individuele cellen volgden. Deze aanpak stelde hen in staat om niet alleen het eindresultaat te zien, maar de hele reis van hoe een stamcel zijn lot bepaalt op basis van de precieze hoeveelheid en timing van de signalen die hij ontvangt.
De onderzoekers ontdekten dat de timing en de sterkte van deze chemische signalen cruciaal zijn. Ze ontdekten dat ze door de niveaus van Activine en BMP4 aan te passen, de stamcellen konden sturen om specifiek type weefsel te worden dat lijkt op wat er in een levend embryo bij een muis gebeurt. Wanneer de cellen werden blootgesteld aan hoge niveaus van Activine en een matige hoeveelheid BMP4, waren ze het meest geneigd om een type weefsel te worden dat lateraal plaatmesoderm wordt genoemd. Dit weefsel is een cruciale tussenstap omdat het de voorlopers bevat van hemogeen endotheel, wat speciale bloedvatcellen zijn die het unieke vermogen hebben om in bloedcellen te veranderen. De studie toonde aan dat deze specifieke combinatie van signalen, toegepast op het juiste moment in de ontwikkeling van de cellen, de hoogste hoeveelheid van deze veelbelovende voorlopercellen produceerde.
Verder onderzoek onthulde dat de cellen die in het schaaltje werden gegenereerd, nauw overeenkwamen met twee verschillende typen bloedmakende cellen die in de natuur voorkomen: diegene die vroeg in de ontwikkeling in de dooierzak verschijnen en diegene die binnen de embryo zelf worden gevormd, welke de voorlopers zijn van de langdurige bloedstamcellen die in volwassenen worden gevonden. De onderzoekers waren in staat om onderscheid te maken tussen deze twee typen door te kijken naar specifieke markers op het oppervlak van de cellen. Ze vonden dat de cellen die leken op het type uit de dooierzak het eiwit LYVE1 tot expressie brachten, terwijl de cellen die leken op het type van binnen de embryo dit niet deden. Dit onderscheid is belangrijk omdat het type van binnen de embryo degene is die uiteindelijk leidt tot de creatie van hematopoëtische stamcellen, de gouden standaard voor bloedregeneratie. Het team testte ook of het toevoegen van een stof genaamd retinoïnezuur kon helpen om de cellen te verschuiven naar het meer volwassen, binnen-de-embryo-type. Ze vonden dat het toevoegen van deze stof inderdaad het aantal dooierzak-achtige cellen verminderde en het aantal binnen-de-embryo-achtige cellen verhoogde, wat suggereert dat dit een manier is om het proces verder te verfijnen.
Ondanks deze successen merkten de onderzoekers er voorzichtig bij op dat ze nog geen volledig functionele, langdurige bloedstamcellen hadden gecreëerd die in een muis getransplanteerd konden worden en onbepaald zouden overleven. Hoewel ze erin slaagden de vroege voorlopers te genereren en de omstandigheden om ze te maken te verbeteren, blijft de laatste stap van het omzetten van deze voorlopers in de robuuste, zelfvernieuwend stamcellen die in de natuur voorkomen, een hindernis. De studie benadrukte dat bepaalde genen, die bekend staan als essentieel voor deze laatste transformatie in een levend embryo, ontbraken of zeer laag waren in de in het laboratorium gekweekte cellen. Dit suggereert dat de laboratoriumomgeving nog steeds enkele belangrijke ingrediënten of timing-aanwijzingen mist die in de natuurlijke omgeving aanwezig zijn.
De waarde van dit werk ligt in de kaart die het biedt. Door de sci-Plex methode te gebruiken, hebben de onderzoekers een gedetailleerde gids gemaakt die precies laat zien hoe verschillende doses chemische signalen de beslissingen van cellen beïnvloeden. Deze kaart stelt wetenschappers in staat om de subtiele verschillen te zien tussen cellen die op elkaar lijken maar andere bestemmingen hebben. Het bevestigt dat de weg naar het creëren van bloedstamcellen in een schaaltje geen enkele rechte lijn is, maar een complex landschap waar de timing en de sterkte van signalen de uitkomst bepalen. De studie beweert niet het probleem van het kweken van transplanteerbare bloedstamcellen te hebben opgelost, maar biedt een helder, op data gebaseerd stappenplan voor hoe men dichter bij dat doel kan komen. Door de precieze condities te begrijpen die de creatie van de juiste voorlopercellen bevorderen, kan toekomstig onderzoek zich richten op het invullen van de ontbrekende stukjes om uiteindelijk bloedstamcellen te produceren die werkelijk klaar zijn voor klinisch gebruik.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.